H橋式電路驅(qū)動無刷直流電機的設(shè)計

戴貽康，焦運良，范 晶

(華北計算機系統(tǒng)工程研究所，北京 100083)

0 引言

無刷直流電機因其無磨損、噪聲小、功耗低和效率高的特點而應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、家電和工業(yè)自動化等各個領(lǐng)域[1]。電子換相、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電機本體構(gòu)成了無刷直流電機，其中電子換相的驅(qū)動控制電路是整個無刷直流電機伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其設(shè)計的好壞直接決定了整個系統(tǒng)無刷直流電機運行的性能高低[2]。單純地以線性功率放大器放大信號控制電機的方式，因功耗大和效率低而逐漸被淘汰；現(xiàn)常采用的方法是利用MOS管和柵極驅(qū)動芯片IR2110構(gòu)成H橋可逆PWM驅(qū)動電路，驅(qū)動無刷直流電機實現(xiàn)正反運轉(zhuǎn)。該方式工作穩(wěn)定，功耗較低而效率很高，可以對無刷直流電機平穩(wěn)調(diào)速控制[3]。

1 無刷直流電機

1.1 無刷直流電機結(jié)構(gòu)

無刷直流電機具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，電子換相線路中的功率開關(guān)器件直接與繞組相連。電機裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置，與電子換相線路一起構(gòu)成無刷直流電機的電子換相裝置。因此無刷直流電機主要由電子換相、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電機本體三大部分組成，如圖1所示。其中電子換相的控制驅(qū)動電路是最重要的部分，導(dǎo)通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，起機械換向器的換相作用，控制著電機實現(xiàn)正反運行。

圖1 無刷直流電機結(jié)構(gòu)

1.2 無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機的轉(zhuǎn)子只有一對極，而定子繞組則有三個對稱的繞組，其接法可以是三角形和星形(帶中心點與不帶中心點)等，而通電方式分為兩相通電模式、三相通電模式以及兩者混合的通電模式[4]。兩相通電模式就是電機三個繞組中的其中兩相導(dǎo)通，剩余一相關(guān)閉；三相通電模式則是三相同時導(dǎo)通電流，有一相的電流是反相；混合的通電模式中，以交替的三相、兩相進行通電。

選用常用的三相通電驅(qū)動，接法則采用星形和三角形形式。每相繞組的導(dǎo)通率是可以設(shè)定的，有60°、120°和360°等，對于橋式電路的換相電路來說，最佳的導(dǎo)通角度是120°，其常見的三相橋式電路如圖2所示。

圖2 無刷直流電機的H橋式驅(qū)動電路

邏輯控制信號按照一定的導(dǎo)通次序和規(guī)則進行上面的6個MOS管的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制電機的運行。例如，以K1K4-K1K6-K3K6-K3K2-K5K2-K5K4-K1K4的導(dǎo)通順序進行MOS管的控制。每個時刻上下臂的MOS管只有一個導(dǎo)通，以交叉的方式進行，形成三相六狀態(tài)。在控制系統(tǒng)中，理想狀態(tài)下的無刷直流電機只需PWM方波驅(qū)動，并且在換向時刻檢測出轉(zhuǎn)子的位置，就可以實現(xiàn)順利的繞組電流換向。

1.3 無刷直流電機的驅(qū)動方式

無刷直流電機的驅(qū)動控制方式中，整體上分為三類：以繼電器為主的功率級線性控制電路；以集成電機驅(qū)動芯片(如L298N)為主的簡單控制電路；以MOS管和柵極驅(qū)動芯片搭建橋式驅(qū)動電路的可靠穩(wěn)定控制電路。

在大電流工作的電機電路中，要實現(xiàn)對電機的功率級控制，并且保持實時性要求在毫秒級以下時，通常采用繼電器的驅(qū)動方式。使用兩個單刀雙擲開關(guān)間歇性工作就可以實現(xiàn)電機的正反控制，如圖3所示。

圖3 繼電器控制電路

集成電機驅(qū)動芯片是專門用于驅(qū)動電機的集成電路，只需連接幾個簡單的控制信號便可以直接控制電機的正反轉(zhuǎn)。其中，L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，接收標準TTL邏輯電平信號，是一種典型的二相和四相電機專用驅(qū)動器[5]。其設(shè)計電路如圖4所示。

以MOS管和柵極驅(qū)動芯片為主，搭建起H橋式可逆PWM驅(qū)動電路是現(xiàn)在通常采用的無刷直流電機驅(qū)動方式。因為其功率可控，高效而又可靠，同時可以平穩(wěn)控制電機的轉(zhuǎn)速而廣泛應(yīng)用于多種場合。

2 H橋式驅(qū)動電路的設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

H橋式驅(qū)動電路主要由STM32芯片及其外圍的基礎(chǔ)電路、MOSFET開關(guān)電路和無刷直流電機組成。當(dāng)H橋式驅(qū)動電路接收到主控芯片STM32發(fā)來的控制命令時，安全回路使能開啟MOSFET開關(guān)電路工作，按照一定的導(dǎo)通次序工作使電機運轉(zhuǎn)。在電機的母線上采樣的電機電流經(jīng)電傳感器和位置傳感器取樣后，進行相應(yīng)的運算，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速與力矩，使其平穩(wěn)地按需運轉(zhuǎn)。總體的框架圖如圖5所示。

2.2 PWM調(diào)速控制

電機的轉(zhuǎn)速控制可以分為勵磁控制法和電樞控制法[6]。勵磁控制法是控制三相導(dǎo)通的磁通量，低速時受到磁飽和限制，高速時則受到換相火花和換向結(jié)構(gòu)強度的限制，導(dǎo)致其控制功率小、效率低，進而使其應(yīng)用較少。更多采用的還是電樞電壓控制法，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常見的一種調(diào)速方法。

圖4 L298N驅(qū)動電路

圖5 H橋式驅(qū)動電路總體框架

PWM調(diào)速的基本原理就是按照一個固定頻率(方波)波形來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開的時間占比比例(占空比)來改變電機電樞上的電壓“1”和“0”的占比比例，從而改變接通電機的平均電壓，控制電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。采用計數(shù)PWM的方波周期個數(shù)來檢測電機的運行速度，從而實現(xiàn)對電機的平穩(wěn)控制，啟動和停止時對電機運行系統(tǒng)的沖擊微小，啟動功耗低，實現(xiàn)無刷直流電機的平穩(wěn)順利運行。

2.3 H橋式驅(qū)動電路設(shè)計

作為開關(guān)器件的晶體管器件一般選擇功率MOSFET管，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點，符合電機頻繁開關(guān)控制的需求。常用4個功率MOS管組成2對上下臂H形狀的橋式電路，該電路設(shè)計簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)。因此一側(cè)MOS管的上下管間斷導(dǎo)通，與另外一側(cè)的上下管形成對角MOS管導(dǎo)通形式，在PWM驅(qū)動下按時序進行兩個對角管的輪流導(dǎo)通，就形成了兩個方向的電流流向，也就驅(qū)動電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

本文選用6個MOSFET或者IGBT構(gòu)成三相120°橋式逆變電路。功率器件選用IR公司的IRFP460A管，導(dǎo)通電阻只有0.22 Ω，漏極電流最大20 A，Vdss為500 V，導(dǎo)通時間為50 ns左右；驅(qū)動隔離芯片則采用IR2110，供電電壓為10～20 V，電氣隔離電壓高達2 500 V，邏輯供電電壓則為3.3～20 V，采用自舉懸浮的形式驅(qū)動MOS管導(dǎo)通，并且內(nèi)部含有電壓比較保護、過流保護等電路，確保驅(qū)動電路的簡單可靠。其中一個MOSFET驅(qū)動邏輯電路和全橋式逆變電路分別如圖6和圖7所示。

圖6 驅(qū)動邏輯電路

以6n137高速光耦為電氣隔離器件，實現(xiàn)對來自STM32發(fā)出的PWM信號與電機的驅(qū)動部分進行隔離，防止電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的擾動噪聲和尖峰電壓串入主芯片，引起芯片工作異常而使系統(tǒng)癱瘓。其輸出信號再接入IR2110驅(qū)動芯片，作為啟動芯片工作的控制信號。與單純地采用繼電器的驅(qū)動方式比較，該方法隔離出高壓、模擬信號，減少了模擬信號對MOS管控制信號的影響，同時降低了線圈的電流損耗，電流負載效率得到提高。

三相繞組端U、V、W分別連接到兩個大功率MOSFET組成三相全橋電路，在任意一個狀態(tài)下都是兩相串聯(lián)導(dǎo)通，一相為正，另外一相為負，第三相對應(yīng)的橋臂上的兩個MOSFET都關(guān)斷。如按照UV-UW-VW的方式進行導(dǎo)通與關(guān)閉。其中C2、C5、C8分別為一相繞組的上橋臂MOS管導(dǎo)通提供自舉電壓，R3、R8、R12阻值選擇15 kΩ，為上橋臂MOS管Q3、Q5、Q4的反向?qū)ê退绤^(qū)之間的無導(dǎo)通提供一個泄放通路，保護MOS管不會因此而發(fā)生損壞。同樣TVS管D1、D2、D5、D7、D8、D9分別為六個功率管的漏源級之間的電壓保護器件，防止外界高壓串入擊穿功率管。此電路與基于L298N的專用電機驅(qū)動芯片電路相比較，可以通過調(diào)整連接在MOS管漏級上的電阻大小來控制導(dǎo)通電流大小，使其工作在飽和狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通，提高電路的電流負載效率。

圖7 橋式驅(qū)動電路

2.4 電機電流檢測電路

電機的工作電流是無刷直流電機運行過程中一個很重要的檢測參數(shù)，可以反映伺服電機功率與負載的變化[7]。在對伺服電機的控制中，母線上的電機電流變化就是一個重要的控制量，同時也設(shè)置了過流保護，防止系統(tǒng)出現(xiàn)過電流現(xiàn)象而導(dǎo)致異常。

傳統(tǒng)的電流檢測方法大多是讀取電阻上的電壓來得到采樣電流，或者是接入專門的電流檢測表讀取數(shù)值，簡單易行，成本較低，但是考慮到電機電流較大(達到幾安級別)，采樣電阻的發(fā)熱嚴重，阻值也會發(fā)生變化，導(dǎo)致檢測的精度變低，功耗增大，并且沒有電氣上的完全隔離裝置，易出現(xiàn)電機上的變化電流串入其中，影響電流的準確采樣。因此采用霍爾電流傳感器對電機電流進行精確采樣[8]。HXS20-NP是一種高精度、帶電氣隔離、低功耗的電流傳感器，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)﹄娏鞯木_采樣、載荷檢測和過電流故障檢測等控制場合。該傳感器通過專用放大器和濾波器實現(xiàn)傳感器的降噪，采用專用的電流導(dǎo)體和晶片間的電容耦合，可有效防止應(yīng)用中的配置漂移。電流檢測電路如圖8所示。

圖8 電機電流檢測電路

伺服電機母線上的電流從傳感器的1腳接入、8腳流出，11腳輸出的電壓值A(chǔ)DC_OUT得到采樣的電壓。該電壓與流入的電流成一定的比例關(guān)系，經(jīng)兩個測量電阻STM32的ADC0端口，根據(jù)一定的比例公式計算得到電機電流。

3 無刷直流電機的運行結(jié)果

根據(jù)H橋式驅(qū)動電路的設(shè)計搭建起無刷直流電機的實驗平臺，通過觀察無刷直流電機的運行情況，驗證該驅(qū)動方式下無刷直流電機的運行特點。

無刷直流電機上的編碼器波形如圖9所示。

圖9 編碼器波形

示波器上出現(xiàn)兩個頻率為250 Hz的方波波形，表示編碼器的A、B兩相的波形。兩相正交相差90°表明電機正常運行，再根據(jù)兩者的超前與滯后關(guān)系從而判斷電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)?？梢杂^察到兩個波形都有一定的毛刺，增加濾波、去噪電路，以及提高流經(jīng)電機母線上的負載電流，可以消除毛刺和上下沖等干擾信號，從而更加穩(wěn)定低控制電機的運行。

測量電機的碼盤角度和電機電流曲線如圖10和圖11所示。

圖10 電機碼盤角度曲線

圖11 電機電流曲線

電機碼盤的曲線近似于一條直線，隨著電機的開始運行，電機的碼盤角度隨時間增長。在最初的1～2 s內(nèi)，增長得非常快；2 s之后隨著電機運行的穩(wěn)定，電機碼盤的角度增加開始變緩，說明電機運行逐步變得平穩(wěn)。

電機的電流是類似于一個方波的曲線，并且有正負值之分，正值“1.5 A”表明電機在此段時間是處于一個正轉(zhuǎn)的狀態(tài)；負值“-1.5 A”則表明電機處于反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。所占時間的長短也表明了PWM的占空比大小，當(dāng)調(diào)速的PWM波形的占空比發(fā)生變化，經(jīng)H橋式驅(qū)動電路后控制了電機的運行變化，也就是反映在電機電流曲線的變化之上。

將上文提到的采用L298N的電機驅(qū)動電路與本文提出的設(shè)計電路的實驗，結(jié)果如表1所示。

表1 驅(qū)動電路比較

可以看出，H橋式驅(qū)動電路的電機電流較小，其效率卻較高，比L298N驅(qū)動電路高出10%左右。因此得出結(jié)論：H橋式驅(qū)動電路驅(qū)動無刷直流電機正反運轉(zhuǎn)，功耗小而效率高，實現(xiàn)了無刷直流電機穩(wěn)定可靠軟啟動和平穩(wěn)調(diào)速控制。

4 結(jié)束語

通過對無刷直流電機的介紹和對其工作原理的理解，根據(jù)PWM調(diào)制模式對電機速度進行調(diào)整，設(shè)計H橋式的MOS管驅(qū)動電路和電機電流檢測電路，測量出此驅(qū)動模式下電機的運行曲線，從而證明了利用H橋式電機驅(qū)動芯片IR2110構(gòu)成H橋可逆PWM驅(qū)動電路，功耗大大降低而效率極大提高，并且實現(xiàn)了無刷直流電機穩(wěn)定可靠軟啟動和平穩(wěn)調(diào)速控制。